本发明涉及电系统力故障行波定位技术领域，特别是涉及一种新型电网故障行波定位方法和系统。
背景技术：
行波即平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化，从相邻时刻t1和t1+△t进行考察，可以发现波形随时间的增长而向传输线的终端移动。输配电系统的行波故障定位法是根据波在传输线路上的波阻抗不连续节点的反射特性来确定故障点的距离。电网故障行波定位与保护是保证电力系统安全可靠运行的关键技术，由于行波法定位原理简单，定位精度高且具有不受过渡电阻、系统运行方式、系统振荡及长线分布电容影响等独特优点，成为国内外研究的热点。随着我国电力系统规模的不断扩大和对电网安全可靠性要求的不断提高，开展电网故障行波故障定位技术研究，促进行波技术实用化，具有重要的科学意义和应用前景。
经国内外众多专家学者的不断努力，行波定位技术日趋成熟，但交流电网的行波定位技术尚存在许多不足。目前电网故障行波定位技术有很多，按其采集的位置可以分为单端定位法和多端定位法以及网络定位法等。单端定位法根据波的传输理论，在波速已知的情况下，利用故障产生的初始行波和故障点反射波到达监测点的时间差来计算故障点的位置，多端定位法是在线路双端检测故障产生的初始行波，利用行波到达双端的时间差和波速通过计算得到故障距离。然而，目前已经公开的行波故障定位研究成果中的部分方案，在网络结构简单的电网中能有效实现故障定位，但在电网结构比较复杂，尤其是面对多环网电网结构时，由于难以有效简化网络结构，使得环网解网运算复杂、数据处理量大，运算精度降低，故障定位误差较大。
综上，现有技术中的行波故障定位方案存在面对多环网电网等复杂电网结构时无法准确定位故障点的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种新型电网故障行波定位方法和系统，以解决现有技术行波故障定位方案存在的面对多环网电网等复杂电网结构时无法准确定位故障点的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种新型电网故障行波定位方法，包括步骤：
记录目标区域电网中的故障点产生的初始行波到达所有变电站的时间，建立时间矩阵t；
利用dijkstra算法(迪杰斯特拉算法，也叫狄克斯特拉算法)计算故障行波传播的最短路径，建立最短路径距离矩阵l，修正后得到计算矩阵l′；
从所述计算矩阵l′中依次选取最短路径，并从所述时间矩阵t中选取对应的时间元素，利用行波定位方法中的双端定位算法计算故障距离dij；
根据保护装置断路器的动作判别故障输电线路，选取所述故障输电线路的一端节点c为参考节点，将所有故障距离dij折算到所述参考节点，得到折算故障距离d′ij，利用所有所述折算故障距离d′ij建立故障距离矩阵d；
对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，对故障距离矩阵d中所有非0有效元素设置权重，得到权重矩阵w，综合故障距离矩阵d与权重矩阵w，计算得到精确的故障距离dc。
优选地，所述步骤建立时间矩阵t包括建立如下时间矩阵t：
t＝[t1…ti…tn]
式中：n为变电站的个数，t1,t2…ti…tn分别表示故障点产生的初始行波到达变电站1,2…i…n的时间；
所述步骤建立最短路径距离矩阵l，具体包括步骤：
假设电网拓扑结构图中共有n个节点，选取线路长度作为权值，构造赋权矩阵v：
其中：
式中：lij表示相连节点i与节点j之间的线路长度，(请明确vij的定义)；
依据赋权矩阵v中的线路长度，采用dijkstra算法计算任意两节点间的最短路径，得到最短路径距离矩阵l：
式中：lij表示节点i与节点j之间最短路径所途经线路的长度和。
优选地，所述步骤修正后得到计算矩阵l′，具体包括步骤：
最短路径距离矩l为对称矩阵，且各最短路径为无向路径，lij＝lji，为避免重复计算，当i＜j时，令lij＝0；
当故障线路不在环网中时，将所有不经过故障线路的最短路径元素lij修正为0，其它元素无需修正；
当故障线路在环网中时，按下列步骤进行修正：
①如果最短路径元素lij的两个节点i和j均不在故障线路所在的环网中，当最短路径没有线路在环网中时，将该元素修正为0；当最短路径有线路在环网中，判断最短路径是否包含故障线路，包含时无需修正，否则将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
②如果最短路径元素lij的两个节点i和j均在故障线路所在的环网中，当节点i和j有一个是故障线路端节点时，将该元素修正为0；否则判断最短路径是否包含故障线路，包含时无需修正，不包含时将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
③如果最短路径元素lij的两个节点i和j有一个在故障线路所在的环网中，当最短路径没有线路在环网中时，将该元素修正为0；当该最短路径与相应初始行波到达时间配对进行计算，故障距离近似为0或近似等于最短路径lij长度时，将lij元素修正为0；否则将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
④利用dijkstra算法重新计算两节点i和j间的最短路径，直到最短路径包含故障线路的最短路径为止，计算结束后将包含故障线路的最短路径作为该元素lij的值；
所有元素修正完毕后，得到计算矩阵l′。
优选地，所述步骤利用行波定位方法中的双端定位算法计算故障距离dij，具体包括步骤：
求取dij：
式中：dij表示在节点i与节点j之间最短路径线路上故障点离节点i的距离，lij表示节点i与节点j之间最短路径所途经线路的长度和，v表示故障点产生的初始行波在输电线路上的传播速度。
优选地，所述步骤将所有故障距离dij折算到所述参考节点，得到折算故障距离d′ij，具体包括步骤：
求取d′ij：
d′ij＝|dij-dic|
式中：dic表示节点i与节点c之间的最短距离。
优选地，所述步骤对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，对故障距离矩阵d中所有非0有效元素设置权重，得到权重矩阵w，综合故障距离矩阵d与权重矩阵w，计算得到精确的故障距离dc，具体包括步骤：
从故障距离矩阵d中选取一个折算故障距离，定义为
式中：α为误差门槛值；
当满足上式的个数大于故障距离矩阵d中折算故障距离个数的一半时，认为该折算故障距离
故障距离矩阵d中非零元素的权重计算方法为：
假设故障距离矩阵d中各有效元素对应最短路径中途经的变电站个数为m，则可设置该元素的权重为1/(m-1)，得到权重矩阵w；
故障距离dc的计算方法为：
式中：wij为故障距离矩阵d有效元素dij的权重。
本发明还提供了一种新型电网故障行波定位系统，包括：
行波检测装置，安装于目标区域电网中的所有变电站，用于分别记录故障点产生的初始行波达到各个变电站的时间；
第一构建模块，用于建立时间矩阵t，并利用dijkstra算法计算故障行波传播的最短路径，建立最短路径距离矩阵l，修正后得到计算矩阵l′；
双端定位运算模块，用于从所述计算矩阵l′中依次选取最短路径，并从所述时间矩阵t中选取对应的时间元素，利用行波定位方法中的双端定位算法计算故障距离dij；
第二构建模块，用于根据保护装置断路器的动作判别故障输电线路，选取所述故障输电线路的一端节点c为参考节点，将所有故障距离dij折算到所述参考节点，得到折算故障距离d′ij，利用所有所述折算故障距离d′ij建立故障距离矩阵d；
有效识别模块，用于对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，对故障距离矩阵d中所有非0有效元素设置权重，得到权重矩阵w，综合故障距离矩阵d与权重矩阵w，计算得到精确的故障距离dc。
优选地，所述第一构建模块，用于：
建立如下时间矩阵t：
t＝[t1…ti…tn]
式中：n为变电站的个数，t1,t2…ti…tn分别表示故障点产生的初始行波到达变电站1,2…i…n的时间；
假设电网拓扑结构图中共有n个节点，选取线路长度作为权值，构造赋权矩阵v：
其中：
式中：lij表示相连节点i与节点j之间的线路长度，(请明确vij的定义)；
依据赋权矩阵v中的线路长度，采用dijkstra算法计算任意两节点间的最短路径，得到最短路径距离矩阵l：
式中：lij表示节点i与节点j之间最短路径所途经线路的长度和；
最短路径距离矩l为对称矩阵，且各最短路径为无向路径，lij＝lji，为避免重复计算，当i＜j时，令lij＝0；
当故障线路不在环网中时，将所有不经过故障线路的最短路径元素lij修正为0，其它元素无需修正；
当故障线路在环网中时，按下列步骤进行修正：
①如果最短路径元素lij的两个节点i和j均不在故障线路所在的环网中，当最短路径没有线路在环网中时，将该元素修正为0；当最短路径有线路在环网中，判断最短路径是否包含故障线路，包含时无需修正，否则将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
②如果最短路径元素lij的两个节点i和j均在故障线路所在的环网中，当节点i和j有一个是故障线路端节点时，将该元素修正为0；否则判断最短路径是否包含故障线路，包含时无需修正，不包含时将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
③如果最短路径元素lij的两个节点i和j有一个在故障线路所在的环网中，当最短路径没有线路在环网中时，将该元素修正为0；当该最短路径与相应初始行波到达时间配对进行计算，故障距离近似为0或近似等于最短路径lij长度时，将lij元素修正为0；否则将该最短路径从环网中的线路处断开，转步骤④；
④利用dijkstra算法重新计算两节点i和j间的最短路径，直到最短路径包含故障线路的最短路径为止，计算结束后将包含故障线路的最短路径作为该元素lij的值；
所有元素修正完毕后，得到计算矩阵l′。
优选地，所述双端定位运算模块用于求取dij：
式中：dij表示在节点i与节点j之间最短路径线路上故障点离节点i的距离，lij表示节点i与节点j之间最短路径所途经线路的长度和，v表示故障点产生的初始行波在输电线路上的传播速度；
所述第二构建模块，用于求取d′ij：
d′ij＝|dij-dic|
式中：dic表示节点i与节点c之间的最短距离。
优选地，所述有效识别模块，用于：
从故障距离矩阵d中选取一个折算故障距离，定义为
式中：α为误差门槛值，α取值范围为450-550米，较优地，取500米。
当满足上式的个数大于故障距离矩阵d中折算故障距离个数的一半时，认为该折算故障距离
故障距离矩阵d中非零元素的权重计算方法为：
假设故障距离矩阵d中各有效元素对应最短路径中途经的变电站个数为m，则可设置该元素的权重为1/(m-1)，得到权重矩阵w；
故障距离dc的计算方法为：
式中：wij为故障距离矩阵d有效元素dij的权重。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种新型电网故障行波定位方法和系统，当目标区域电网中的某条输电线路故障后，故障点产生暂态行波信号，并向输电线路两端传播，记录所有变电站故障点产生的初始行波到达时间，建立时间矩阵；利用dijkstra算法计算故障行波传播的最短路径，建立最短路径距离矩阵，修正后得到计算矩阵；利用计算矩阵和时间矩阵计算故障距离，建立故障距离矩阵；对故障距离矩阵中的元素进行有效性识别，并综合所有有效故障距离得到输电线路上故障点的精确位置，本发明提供的该方法和系统，通过利用计算矩阵l′和时间矩阵t，直接建立故障距离矩阵d；无需对环网进行解网运算，避免了复杂环网可能无法解网的情况，面对复杂的电网结构也能实现对故障点的精确定位，解决了现有技术电网故障行波定位方法需要面临复杂环网解网运算并且故障定位失效或定位误差大的技术问题，经实验仿真表明，本发明提供的行波定位方法和系统，在行波数据漏采、误采的情况下仍然能够实现准确故障定位，有效提高了电网故障定位的可靠性和准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种新型电网故障行波定位方法的流程图；
图2为500kv输电线路电网结构的一个典型模型示例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上技术方案更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种新型电网故障行波定位方法，包括步骤：
步骤s110，记录目标区域电网中的故障点产生的初始行波到达所有变电站的时间，建立时间矩阵t。
步骤s111，利用dijkstra算法计算故障行波传播的最短路径，建立最短路径距离矩阵l，修正后得到计算矩阵l′。
步骤s112，从所述计算矩阵l′中依次选取最短路径，并从所述时间矩阵t中选取对应的时间元素，利用行波定位方法中的双端定位算法计算故障距离dij。
步骤s113，根据保护装置断路器的动作判别故障输电线路，选取所述故障输电线路的一端节点c为参考节点，将所有故障距离dij折算到所述参考节点，得到折算故障距离d′ij，利用所有所述折算故障距离d′ij建立故障距离矩阵d。
步骤s114，对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，对故障距离矩阵d中所有非0有效元素设置权重，得到权重矩阵w，综合故障距离矩阵d与权重矩阵w，计算得到精确的故障距离dc。
下面列举本发明新型电网故障行波定位方法的一个具体实施例，该实施例以图2所示的电网结构为目标区域电网进行故障定位。该图2所示为500kv输电线路电网结构的一个典型模型示例。
首先，根据电网结构构建行波定位网络。采用emtp仿真软件对图2所示的电网结构模型进行仿真分析，1-8为八个变电站，利用变电站行波检测装置检测记录故障点产生的初始行波到达时间，构建emtp仿真模型时考虑到过渡电阻、变电站容性设备、线路参数、母线接线方式、阻波器等因素对故障行波传播的影响，线路全部采用考虑频变影响的分布参数模型(j.marti模型)构建。
以图2所示系统，分别从变电站检测记录的所有故障点的初始行波到达时间数据均有效和存在无效时间数据两种情况进行故障行波定位分析：
所有时间数据均有效时故障行波定位分析包括以下步骤：
(1)假定线路4-6距第4变电站30km处发生单相接地故障，故障点产生的初始行波在整个电网中传播，由各变电站检测的初始行波信号到达时间，建立时间矩阵t：
t＝[t1…ti…t8]
上式中矩阵元素t1-t8的值分别对应表1中第1-8个变电站记录的故障点初始行波到达时间。参见表1，表1为初始行波到达时间表。
表1
(2)根据线路长度构造赋权矩阵v：
(3)采用dijkstra算法计算任意两节点间的最短路径，用lij表示节点i与节点j之间最短路径所途经线路的长度和，得到最短路径距离矩阵l：
(4)对最短路径矩阵l的元素进行修正，得到计算矩阵l′：
(5)从计算矩阵l′依次选取最短路径，从时间矩阵t中选取对应的时间按双端定位算法计算故障距离dij，行波传输速度取2.96×108米/秒，并以第4变电站为参考节点，将所有故障距离dij折算到参考节点4，得到故障距离矩阵d：
(6)对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，判别结果表明故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij均有效。
(7)对故障距离矩阵d中所有有效元素设置权重，得到权重矩阵w：
(8)综合故障距离矩阵d和权重矩阵w，计算得到精确故障距离dc。
仿真分析结果表明，电网故障定位的故障距离为30.020km，该故障距离误差较小，且比仅利用故障线路两端初始行波到达时间计算出的故障距离误差要小，说明电网故障定位能在一定程度上提高故障定位准确度。
对于记录的所有到达时间数据中存在无效时间的故障行波定位分析，包括以下两种情况：
a、故障线路一端变电站检测记录的初始行波达到时间误差大。
假定变电站4检测记录的初始行波达到时间误差大，为t4＝150μs，其它初始行波到达时间不变，分析步骤：(1)-(4)与所有初始行波到达时间数据均有效时故障定位分析步骤(1)-(4)相同；(5)故障距离矩阵d按假定条件更新为：
(6)对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，修正为：
(7)对故障距离矩阵d中所有有效元素设置权重，得到权重矩阵w为：
(8)综合故障距离矩阵d和权重矩阵w，计算得到精确故障距离dc：
b、故障线路一端变电站没有检测到故障点初始行波到达时间。
假定变电站6没有检测到行波信号，此时t6＝0μs，分析步骤：(1)-(4)与所有初始行波到达时间数据均有效时故障定位分析步骤(1)-(4)相同；(5)故障距离矩阵d为：
(6)对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，判别结果表明故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij均有效。
(7)对故障距离矩阵d中所有有效元素设置权重，得到权重矩阵w为：
(8)综合故障距离矩阵d和权重矩阵w，计算得到精确故障距离dc：
仿真分析结果表明，本发明在故障线路端数据错误或其他变电站检测记录故障点初始行波到达时间数据错误时仍可以进行可靠的故障定位计算。
本发明实施例还提供了一种新型电网故障行波定位系统，该系统包括行波检测装置、第一构建模块、双端定位模块、第二构建模块和有效识别模块。
行波检测装置，安装于目标区域电网中的所有变电站，用于分别记录故障点产生的初始行波达到各个变电站的时间；第一构建模块，用于建立时间矩阵t，并利用dijkstra算法计算故障行波传播的最短路径，建立最短路径距离矩阵l，修正后得到计算矩阵l′；双端定位运算模块，用于从计算矩阵l′中依次选取最短路径，并从时间矩阵t中选取对应的时间元素，利用行波定位方法中的双端定位算法计算故障距离dij；第二构建模块，用于根据保护装置断路器的动作判别故障输电线路，选取所述故障输电线路的一端节点c为参考节点，将所有故障距离dij折算到所述参考节点，得到折算故障距离d′ij，利用所有所述折算故障距离d′ij建立故障距离矩阵d；有效识别模块，用于对故障距离矩阵d中所有折算故障距离d′ij进行有效性识别，对故障距离矩阵d中所有非0有效元素设置权重，得到权重矩阵w，综合故障距离矩阵d与权重矩阵w，计算得到精确的故障距离dc。
综上，本发明提供的一种新型电网故障行波定位方法和系统，通过利用计算矩阵l′和时间矩阵t，直接建立故障距离矩阵d；无需对复杂的环网结构进行解网运算，避免了复杂环网可能无法解网的情况，因而解决了电网故障行波定位方法中的复杂环网解网运算以及故障定位失效或定位误差大等问题；同时该算法通过对故障距离的有效性识别与修正，可在行波数据漏采和误采的情况下，利用全网的行波数据仍能实现准确故障定位，实现过程简单易行，具有广阔的应用前景。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。